Вращающиеся (роторные) регенераторы — одни из наиболее эффективных регенераторов, эффективность которых в рекламных материалах производителей заявляется на уровне 80—90%. В одном из часто используемых вариантов реализации регенератор представляет собой алюминиевую фольгу толщиной в доли миллиметра, свернутую в цилиндрический рулон с осевой протяженностью около 100—300 мм.
При этом между слоями фольги имеются зазоры 1,5—2 мм для прохода воздуха. Диаметр цилиндра определяется производительностью приточной установки и аэродинамическим сопротивлением теплообменника. Видно, что проходные сечения приточного и вытяжного каналов занимают только часть площади поперечного сечения роторного теплообменника.
Условная схема роторного регенератора
1 — элемент приточной установки;
2 — вращающийся (роторный) теплообменник;
3 — элемент вытяжной системы;
А, В — размеры проходного сечения приточной системы;
D — диаметр роторного теплообменника;
с — зазор между пластинами в теплообменнике;
d — расстояние между приточной и вытяжной системами;
L — длина каналов в роторном теплообменнике
Оценим эффективность такого регенератора. Примем, что ротор вращается с постоянной угловой скоростью w, причем линейная скорость на внешнем диаметре ротора V гораздо меньше средней скорости движении воздуха через щели теплообменника VЩ, т.е. с точки зрения аэродинамики и теплообмена вращением можно пренебречь. Скорость VЩ считаем одинаковой по всему поперечному сечению канала. Тогда процесс теплообмена в каждой щели определяется только временем пребывания ее в активной зоне потока (на вытяжке или притоке). Теперь обратимся к схеме, где показаны два варианта поперечного сечения активной части роторного регенератора.
Расчетная схема роторного регенератора
В верхней части закрашено прямоугольное проходное сечение АВ приточно-вытяжных систем, в нижней части — проходное сечение в виде сектора той же площади (для обеспечения такой же расходной скорости VЩ потока воздуха): АВ = Rа. Проходное сечение в виде сектора круга обеспечивает одинаковое время пребывания каждого элемента ротора (независимо от радиуса) в зоне активного потока с одной и той же скоростью VЩ. Это значит, что если геометрия ротора и скорость его вращения подобраны правильно, то за время пребывания в потоке с каждого элемента ротора снимается или подводится вся расчетная теплота. Если же проходное сечение имеет форму прямоугольника, то невозможно обеспечить одинаковое время пребывания разных по радиусу сечений прямоугольника в зоне активного потока. Оценим эффективность использования такого проходного сечения. Если предположить, что геометрические параметры и скорость вращения ротора подобраны так, что в ближних к центру сечениях теплообменник за время пребывания T1 = (? — 2a1)/w передает вся требуемая теплота, то в остальных сечениях по мере удаления от центра время пребывания каждого элемента ротора в зоне потока будет уменьшаться. На внешнем радиусе время пребывания элементов ротора в активной зоне будет T1 = (? — 2a2)/w. Таким образом, эффективность регенерации в первом приближении можно оценить как отношение среднего времени пребывания в активной зоне (T1 +T2)/2 ко времени пребывания T1, которое обеспечивает максимальную эффективность регенератора:
E = (T1 + T2)/2T1
Поскольку a1 = arctg(2d/B), а2 = arctg(2A/B), то эффективность теплообмена можно оценить, зная геометрические размеры ротора.
Например, при A = 0,67R2, В = 1,ЗЗR2,d = 0,167R2 можно получить значение эффективности Е = 0,8. Это верхняя оценка. Таким образом, лучше всего, если приточный и вытяжной каналы будут располагаться секторами, например будут занимать по половине площади круга ротора. Но проходное сечение приточной установки имеет обычно форму прямоугольника (или квадрата). Поэтому для получения равномерного распределения потоков по сечениям, для перехода с прямоугольника на полукруг потребуется существенно увеличить осевую протяженность секций роторного теплообменника, в противном случае будут работать лишь некоторые части площадей сечения роторного теплообменника.
Рассмотрим еще один вариант, при котором прямоугольник проходного сечения установки больше проходного сечения полукруга роторного регенератора.
Схема роторного рекуператора
1 — элемент приточной установки
2 — вращающийся роторный теплообменник
3 — элемент вытяжной системы
А, В — размеры продольного сечения приточной системы
D — диаметр роторного теплообменника
с — зазор между элементами в теплообменнике
d — расстояние между приточной и вытяжной система
L — длина канала в роторном теплообменнике
d1 — диаметр входного отверстия вентилятора
e — глубина всасывания отверстия вентилятора
В приточной установке перед регенератором обычно располагается фильтровальная секция, за ним — теплообменник. Они имеют поперечные размеры, соответствующие проходному сечению приточной установки. Однако на входе в регенератор следует устанавливать специальный согласующий коллектор для организации плавного перехода течения воздуха от прямоугольного канала к полукруглому, иначе неизбежны дополнительные потери давления в системе и, что важно, часть поверхности, располагаемой по внешнему периметру полукруга регенератора, работать не будет. Этот эффект и перекрытие части проходного сечения в центральной части шириной d приведет к уменьшению эффективности регенератора.
На вытяжке перед регенератором обычно располагается секция фильтра, которая имеет размеры проходного сечения вытяжного канала, и на входе в регенератор возможны такие же проблем», как и рассмотренные выше. Кроме того, после регенератора обычно расположен вентилятор. В последнее время часто используются вентилятора со свободным колесом. В этом случае входное отверстие в рабочее колесо диаметром d1 существенно меньше поверхности полукруга регенератора и следует устанавливать специальный довольно длинный переход от полукруга регенератора к этому отверстию. Отсутствие такого перехода или его неудачное исполнение могут привести к значительному уменьшению эффективности регенератора.
В реальных условиях эффективность роторного регенератора будет уменьшаться еще по некоторым причинам.
Во-первых, между ротором и приточным трактом, а также между ротором и вытяжным трактом имеются технологические зазоры, необходимые для вращения ротора. Перепад между приточной и вытяжной системами в месте установки роторного регенератора определяется конкретными проектными условиями. Этот перепад приводит к перетеканию выбрасываемого воздуха в приточный тракт.
Во-вторых, и это наиболее важно, при попадании вытяжного воздуха с некоторой влажностью в охлажденную часть ротора на поверхности каналов ротора будет конденсироваться влага (при отрицательных температурах появится иней с последующим превращением во шагу по мере вращения ротора). Эта влага может частично выдуваться из т каналов потоком воздуха, а частично она в виде пленки воды будет оставаться на поверхности фольги или а виде «тромбов» перекрывать прошлые сечения каналов. Часть влаги (если вытяжка конструктивно расположена над притоком) может стекать по цилиндрическим слоям фольги ротора в направлении его вращения и сторону холодной приточной секции, Проходы между слоями в роторе узкие, поэтому можно накопление влаги и льда и частичное перекрытие проходов. В любом случае образование ледяной пленки на поверхности металлической фольги ротора приведет к ухудшению теплообмена: интенсивность его должна уменьшиться, следовательно, потребуется снизить скорость вращения ротора и теплообмен перестанет быть оптимальным, эффективность теплообменника уменьшиться. Для борьбы с влагой требуется периодически снижать скорость вращении ротора, что приводит к уменьшению эффективности регенератора. Побочным результатом является возможность попадания влаги из вытяжной системы в приточную, что может способствовать заражению приточного воздуха. Иногда при низких температурах наружного воздуха для защиты от обмерзания регенератора в вытяжной системе перед ним устанавливают дополнительный нагреватель воздуха (обычно электрический) для увеличения температуры удаляемого воздуха перед регенератором. На это требуется дополнительная мощность, и эффективность регенератора уменьшается. К сожалению, фирмы, производящие и продающие роторные регенераторы, не приводят данных о работе и эффективности роторных регенераторов при низких температурах наружного воздуха.
В третьих, для обеспечения оптимального режима работы роторного регенератора в каждом конкретном случае его применения необходимо решать задачу оптимизации теплообмена по скорости вращения ротора в зависимости от скорости в каналах приточно-вытяжной системы, температур наружного и вытяжного воздуха, что непросто.
Существует еще одна скрытая проблема. При наружных температурах ниже —15…—10 °С, когда на поверхностях регенератора начнет нарастать лед, возникнет необходимость уменьшить скорость вращения или даже остановить регенератор. Это ведет к увеличению теплосъема с основного теплообменника приточной системы (при сохранении производительности приточной установки). А это, в свою очередь, означает, что основной теплообменник приточной системы должен быть подобран на полную тепловую мощность, т. е. без учета утилизации теплоты. На полную мощность этот теплообменник будет работать только в режимах размораживания рекуператора, а остальное время он будет работать на режимах частичной мощности, т. е. будет использоваться очень неэффективно. На таких режимах имеют место очень малые скорости воды в трубках теплообменника и возможность замерзания воды в трубках. Поэтому в указанных системах обязательно надо использовать обвязку по горячей воде с циркуляционным насосом и вводить очень большие постоянные времени срабатывания автоматики при переходе с режима на режим.
Существенным недостатком роторных регенераторов (и других, кроме систем с использованием промежуточного теплоносителя) является также необходимость располагать в непосредственной близости друг от друга приточную и вытяжную системы. Это может привести к усложнению приточно-вытяжной системы, увеличению ее длины и стоимости. Кроме того, размеры ротора должны быть достаточно велики для обеспечения оптимальных параметров теплообмена и небольшого аэродинамического сопротивления, т. е. поперечные габариты установки могут определяться размерами ротора. Поэтому роторные регенераторы применяют, как правило, в приточно-вытяжных системах малых и средних производительностей.
